专利名称：磁悬浮球形主动关节的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种工程中广泛使用的具有支承驱动功能的关节系统， 特别是机器人、机械手的关节，属于机电一体化技术领域。
背景技术：
球形关节在机器人及机械手，乃至多坐标机械加工中心、航大飞行器、 电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、医疗器械、摄像操作台、全景摄 影操作台、搅拌机、移动机构的万向轮、球形阀、球形泵等具有多个运动自 由度的设备中具有广泛的应用前景。关节系统包括驱动器、传动器和控制器， 属于机器人的基础部件，是整个机器人伺服系统中的一个重要环节，其结构、 重量、尺寸对机器人性能有直接影响。关节的驱动方式主要有1)由液动 机、伺服阀、油泵及油箱等组成的液压伺服驱动系统；2)由气缸、气阀、 气罐和空压机组成的气压伺服驱动系统；3)采用伺服电机、减速传动装置 等组成的电气伺服驱动系统。从机器人关节的应用现状可知，目前机器人关 节通常采用电机加减速机构驱动方式。大多数关节为多自由度关节，而多自 由度关节的运动是通过几个关节通过连杆连接利用平移和旋转运动协调运 动产生的，往往需要采用多套单自由度的驱动机构以及复杂的机械传动机构 来完成。这样将导致结构复杂，体积庞大，关节摩擦面磨损严重，效率低下， 制造安装非常困难，运动空间范围小，响应迟缓，动态性能较差。而且机械 传动系统误差的累计导致整个控制系统的精度下降，甚至影响系统的稳定 性
发明内容
本发明的目的是针对现有关节存在的上述问题，基于磁悬浮技术和电机 技术，提供一种机械集成度高、结构简单、无摩擦、无磨损，精度高和动态 性能好，具有可以绕过定点空间轴旋转的多自由度的磁悬浮球形主动关节。
本发明的目的实现的技术方案是，磁悬浮球形主动关节，包括底座、关 节定子、关节转子、转动臂、检测控制系统，其特征是底座与关节定子固定 为一体，关节定子内部形状为一开口的球形内表面，关节转子与转动臂固定 为一体，关节转子外表面呈球形，关节转子设置在关节定子内，转动臂通过 关节定子开口处伸向外端，关节定子球形内表面与关节转子球形外表面之间 在二者同心时存在一定的气隙，关节定子上布置有至少2个夹持机构和若干
检测关节转子位置和运动速度的传感器；所述的检测控制系统设有控制关节 转子悬浮及转动姿态和运动速度或转动速度的DSP数字控制器、驱动电路、 开关功率放大器、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路。
所述的检测控制系统，由传感器不断地检测关节转子的位置姿态(径向 位移和切向位移)，经过信号处理电路处理后由DSP数字控制器进行A/D转 换和控制算法的运算，并转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制 信号，PWM控制信号控制开关功率放大器和逆变器，使经过稳压整流的电 源提供给关节定子绕组的电流，随PWM脉冲信号变化而调节支承关节转子 的悬浮磁力和驱动球形关节转子转动的电磁转矩，以支承球形关节转子稳定 悬浮并驱动关节转子按给定指令转动。
所述的关节定子采用具有良好导磁性能的材料制成，其球形内表面为开 有沟槽的球形内包络面，沟槽将整个球形内表面分为几何形状相同的微小单 元面，以形成内球面凸极定子，并沿着平行于以球心为坐标原点的三维坐标 面的沟槽内，分别设有三相或多相通电线圈绕组，以实现对球形转子的径向 稳定悬浮和三个旋转自由度方向的驱动。所述的球形关节转子由具有良好导磁性能的材料制成，其球形外表面开 有相互垂直且连续的沟槽，沟槽将整个球形外表面分为几何形状相同的微小 单元面，以形成球面凸极转子，凸极转子的沟槽内设导线体构成转子绕组或
电枢绕组。
所述的夹持机构由电磁铁铁芯、线圈绕组、夹持衔铁构成，关节不工作 时在弹簧力作用下处于夹持状态，关节工作时在电磁力作用下处于松开状态。
所述DSP数字控制器用来完成对关节转子姿态位置、速度的采样及实 时计算，对关节转子姿态位置和速度及关节定子绕组电流的控制，以及产生 PWM控制波实现机电能量转换支承关节转子悬浮并旋转。
本发明结构简单、紧凑，球形关节转子与关节定子之间实现无摩擦、无 磨损，动态性能好，响应速度快。综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现球 形关节的悬浮支承并驱动关节转子转动，具有可以绕过定点空间轴旋转的多 自由度的磁悬浮球形主动关节。
检测控制系统控制关节转子悬浮及转动姿态和运动速度或转速，DSP数 字控制器用来完成对关节转子姿态位置、速度的采样及实时计算，对关节转 子姿态位置和速度及关节定子绕组电流的控制，以及PWM控制波产生从而 实现机电能量转换支承关节转子悬浮并旋转等功能；驱动电路将数字控制器 输出的PWM控制波功率放大以驱动控制功率开关器件的关断与导通；功率 驱动变换电路由开关功率晶体管(或晶闸管)、二极管等组成，转子悬浮控 制采用桥式开关功率放大器，转子旋转控制采用桥式逆变器，其输出端连接 磁悬浮关节定子绕组，向磁悬浮关节提供支承转子悬浮和驱动转子转动的电 源；整流稳压电路由功率开关管、电容、电感等构成的桥式电路，其作用是 将向磁悬浮球形关节绕组提供的交流电源变换为稳定的直流电源；传感器包括检测关节转子径向位移的各传感器、转动速度传感器以及绕组电流传感器 等；信号处理电路实现关节转子位置和转速检测，电流信号检测及预处理等 功能。
磁悬浮球形主动关节工作过程中，由传感器不断地检测转子的位置姿态 (径向位移和切向位移)，并对其进行调制、放大、解调、滤波等信号处理，
将处理后转子位置姿态信号由DSP数字控制器进行A/D转换和控制算法的 运算，并转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，PWM悬 浮控制信号控制开关功率放大器，使经过稳压整流的电源电流随PWM脉冲 信号变化，调节关节定子绕组产生的电磁悬浮磁力，以支承关节转子悬浮于 平衡位置；PWM旋转控制信号控制逆变器，使经过稳压整流的电源电流随 PWM脉冲信号变化，调节关节定子绕组产生的电磁转矩，以控制关节转子 按照所给定的角位移或角速度指令旋转，即在DSP数字控制器的控制下， 关节定子绕组将产生悬浮磁力和磁力矩，支承转子稳定悬浮并驱动转子按给 定指令转动。
图1是本发明的磁悬浮球形主动关节系统示意框图2是本发明的球形关节本体结构示意图3是本发明的球形关节本体的外形结构示意图。
图中l螺栓，2转动臂，3关节转子，4气隙(间隙)，5关节定子，6 传感器，7传感器支架，8夹持机构，9底座，IO固定套，ll沟槽，12传感 器，13螺钉，14沟槽，15转子托架，16传感器，17连接螺钉。
具体实施例方式
如图1所示，磁悬浮球形主动关节，由球形关节本体，功率放大器，逆 变器，整流稳压器，驱动器，传感器，信号处理电路，DSP数字控制器等组成。
如图2、图3所示，球形关节本体结构由支承关节的底座9、关节转子3、 关节定子5、转动臂2等组成。底座9与磁悬浮(无轴承)球形关节定子5 通过连接螺钉17固定为一体，关节定子5内部形状为一开口的球形内表面， 在球形内表面开有沟槽11，沟槽将整个球形内表面分为几何形状相同的微小 单元面，以形成内球面凸极定子。并沿着平行于以球心为坐标原点的各三维 坐标面的沟槽内，分别下有三相或多相通电线圈绕组5。在关节定子上水平 面内，在最大直径截面处对称布置4个的电磁铁夹持机构8。夹持机构由电 磁铁铁芯、线圈绕组、夹持衔铁构成，关节不工作时在弹簧力作用下处于夹 持状态，关节工作时在电磁力作用下处于松开状态。在关节定子上布置检测 转子径向位移和旋转角位移的传感器6、 12、 16等。关节转子3外表面呈球 形，球形关节转子3与转动臂2通过固定套IO连接固定为一体，球形关节 转子3设置在关节定子球形内表面构成的球形空间内，转动臂2通过关节定 子5开口处伸向外端;关节定子5球形内表面与关节转子3球形外表面之间， 在二者同心时存在一定的气隙(间隙)4。关节转子球形外表面开有相互垂 直且连续的沟槽14，沟槽将整个球表面分为几何形状相同的微小单元面，以 形成球形关节的凸极转子。
关节定子采用具有良好导磁性能的材料制成，其球形内表面为开有沟槽 的球形内包络面，沟槽将整个球形内表面分为几何形状相同的微小单元面， 以形成内球面凸极定子，并沿着平行于以球心为坐标原点的各三维坐标面的 沟槽内，分别设有三相或多相通电线圈绕组，以实现对球形转子的径向稳定 悬浮和三个旋转自由度方向的驱动。关节转子由具有良好导磁性能的材料制 成，其球形外表面开有相互垂直且连续的沟槽，沟槽将整个球形外表面分为 几何形状相同的微小单元面，以形成球面凸极转子，凸极转子的沟槽内设导线体构成转子绕组或电枢绕组。
磁悬浮球形主动关节的工作过程关节处于停机状态时，由电磁铁夹持机构8中在弹簧力的作用下，将关节球形关节转子3的姿态锁定于平衡位置。关节处于无转悬浮时，向磁悬浮主动关节系统给定各方向的转子在平衡位置时的径向悬浮指令信号和角位移指令信号，同时电磁铁夹持机构8衔铁在电
磁力的作用下，松开球形关节转子3。指令信号与传感器6、 12、 16检测的转子姿态位置信号由DSP数字控制器进行比较和控制算法的运算，并转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，PWM悬浮控制信号控制开关功率放大器，使经过稳压整流的电源提供给关节定子沟槽11中绕组的电流，随PWM脉冲信号变化而调节支承转子3的悬浮磁力，PWM旋转控制信号控制逆变器，使经过稳压整流的电源提供给关节定子绕组的电流随PWM脉冲信号变化而调节转子的磁力矩，在悬浮磁力和磁力矩综合作用下将球形转子3控制在夹持状态时的姿态，以达到球形转子不旋转的稳定悬浮。关节悬浮转动时，关节在不旋转的稳定悬浮基础上，输入沿某个转动自由度方向的角位移和转速指令信号，经数字控制器进行信号调节后输出PWM旋转控制信号，去调节控制逆变器的各功率晶体管，使经过稳压整流电路整流的直流电源由逆变器按照PWM脉冲控制信号规律向关节绕组供电，以产生电磁转矩驱动转子按所给指令要求旋转。
权利要求
1、一种磁悬浮球形主动关节，包括底座、关节定子、关节转子、转动臂、检测控制系统，其特征是底座与关节定子固定为一体，关节定子内部形状为一开口的球形内表面，关节转子与转动臂固定为一体，关节转子外表面呈球形，关节转子设置在关节定子内，转动臂通过关节定子开口处伸向外端，关节定子球形内表面与关节转子球形外表面之间在二者同心时存在一定的气隙，关节定子上布置有至少2个夹持机构和若干检测关节转子位置和运动速度的传感器；所述的检测控制系统设有控制关节转子悬浮及转动姿态和运动速度或转动速度的DSP数字控制器、驱动电路、开关功率放大器、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路。
2、 根据权利要求1所述的磁悬浮球形主动关节，其特征是所述的检测 控制系统由传感器不断地检测关节转子的位置姿态，经过信号处理电路处 理后由DSP数字控制器进行A/D转换和控制算法的运算，并转换为控制悬 浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，PWM控制信号控制开关功率放 大器和逆变器，使经过稳压整流的电源提供给关节定子绕组的电流，随 PWM脉冲信号变化而调节支承关节转子的悬浮磁力和驱动球形关节转子 转动的电磁转矩，以支承球形关节转子稳定悬浮并驱动关节转子按给定指 令转动。
3、 根据权利要求1所述的磁悬浮球形主动关节，其特征是所述的关节 定子采用具有良好导磁性能的材料制成，其球形内表面为开有沟槽的球形 内包络面，沟槽将整个球形内表面分为几何形状相同的微小单元面，以形 成内球面凸极定子，并沿着平行于以球心为坐标原点的各三维坐标面的沟 槽内，分别设有三相或多相通电线圈绕组，以实现对球形转子的径向稳定 悬浮和三个旋转自由度方向的驱动。
4、 根据权利要求1所述的磁悬浮球形主动关节，其特征是所述的球形 关节转子由具有良好导磁性能的材料制成，其球形外表面开有相互垂直且 连续的沟槽，沟槽将整个球形外表面分为几何形状相同的微小单元面，以 形成球面凸极转子，凸极转子的沟槽内设导线体构成转子绕组或电枢绕组。
5、 根据权利要求1所述的磁悬浮球形主动关节，其特征是所述的夹持 机构由电磁铁铁芯、线圈绕组、夹持衔铁构成，关节不工作时在弹簧力作 用下处于夹持状态，关节工作时在电磁力作用下处于松开状态。
6、 根据权利要求1所述的磁悬浮球形主动关节，其特征是所述DSP 数字控制器用来完成对关节转子姿态位置、速度的采样及实时计算，对关 节转子姿态位置和速度及关节定子绕组电流的控制，以及产生PWM控制 波实现机电能量转换支承关节转子悬浮并旋转。
全文摘要
磁悬浮球形主动关节，属于机电一体化技术领域。包括底座、关节定子、关节转子、转动臂、检测控制系统，底座与关节定子固定为一体，关节定子内部形状为一开口的球形内表面，关节转子设置在关节定子内，关节转子与转动臂固定为一体，转动臂通过关节定子开口处伸向外端，关节定子球形内表面与关节转子球形外表面之间在二者同心时存在一定的气隙，关节定子上布置有至少2个夹持机构和若干检测关节转子位置和运动速度的传感器。综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现球形关节的悬浮支承并驱动关节转子转动。本发明结构简单、紧凑，球形关节转子与关节定子之间实现无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快。
文档编号B25J13/00GK101537625SQ20091003156
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月23日 优先权日2009年4月23日
发明者静 刘, 姜明明, 丹 张, 励 曾, 王张合 申请人:扬州大学